Обнаружено слияние черных дыр с рекордной массой: LIGO, Virgo и KAGRA зафиксировали новый рубеж

Новости МирТесен

23 ноября 2023 года сеть гравитационно-волновых детекторов LIGO-Virgo-KAGRA зарегистрировала событие под обозначением GW231123 — наиболее мощное зафиксированное до настоящего времени слияние черных дыр. Полученный гравитационный сигнал указывал на объединение двух черных дыр, чья масса приблизительно составляла 100 и 140 солнечных масс соответственно, что привело к формированию конечной черной дыры массой около 225 солнечных масс. Этот результат превзошел предыдущий рекорд, установленный событием GW190521, обнаруженным в 2021 году, где итоговая масса оценивалась в 140 солнечных масс.

В рамках четвертой наблюдательной кампании коллаборации LVK, начавшейся в мае 2023 года, было проведено наблюдение. Сигнал GW231123 выделяется не только значительной массой черных дыр, участвовавших в слиянии, но и их высокой скоростью вращения. Предварительный анализ показал, что обе компоненты системы находились вблизи максимального предела спина, который предсказывается Общей теорией относительности Эйнштейна, что затруднило интерпретацию сигнала.

Это необычное явление поднимает новые вопросы о возникновении черных дыр промежуточной массы — области, представляющей значительный научный интерес. Современные модели эволюции звезд не могут в полной мере объяснить наличие объектов, попадающих в этот диапазон масс (примерно от 65 до 120 солнечных масс). Согласно одной из основных гипотез, подобные черные дыры могут формироваться в результате предшествующих слияний в областях с высокой концентрацией звезд, таких как шаровые скопления.

Наличие системы черных дыр ставит под сомнение существующие представления о формировании звёзд

Общая масса и высокий угловой момент черных дыр, зафиксированных при слиянии GW231123, вступают в противоречие с общепринятыми представлениями о развитии звезд. В соответствии с современными теоретическими моделями, формирование столь массивных черных дыр посредством непосредственного коллапса массивных звезд представляется маловероятным из-за существования механизмов, таких как парно-неустойчивые взрывы сверхновых, которые ограничивают максимальную массу компактных остатков.

Наиболее вероятным объяснением является то, что по крайней мере одна из черных дыр образовалась в результате предыдущего слияния, произошедшего в рамках иерархического процесса наращивания массы. Этот сценарий становится более реалистичным в условиях высокой плотности звездного окружения, например, в звездных скоплениях или ядрах галактик, где гравитационные взаимодействия стимулируют серию последовательных слияний. В результате формируются черные дыры промежуточной массы – популяция объектов, которая пока изучена недостаточно, но приобретает все большее значение для астрофизических исследований.

GW231123 дает уникальную возможность непосредственно наблюдать подобное явление. Для обработки сигнала потребовались сложные математические модели, которые учитывают как колоссальную массу, так и быстрое вращение объектов. Развитие теоретических инструментов в ближайшем будущем позволит глубже понять не только формирование подобных систем, но и условия, обеспечивающие их существование.

К следующему поколению гравитационно-волновых обсерваторий

Более двухсот зарегистрированных событий за период четвертого цикла наблюдений свидетельствуют о том, что сеть LIGO-Virgo-KAGRA приближается к пределам производительности существующего оборудования. События, подобные GW231123, ясно демонстрируют, что гравитационная астрономия достигла нового этапа развития: теперь она способна не только обнаруживать явления, но и детально анализировать их динамические характеристики и эволюционную историю.

Благодаря интерферометрам третьего поколения, таким как Einstein Telescope в Европе и Cosmic Explorer в США, станет возможным изучение более отдалённых и сложных явлений. Кроме того, космическая миссия LISA (ЕКА), старт которой намечен на 2035 год, предоставит уникальную возможность наблюдать гравитационные волны в диапазоне частот и масс, недоступных современным приборам.

Информация о событии GW231123 будет официально представлена на конференции GR24-Amaldi (Глазго, Шотландия, с 14 по 18 июля 2025 года) и размещена в Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC), чтобы международное научное сообщество получило возможность детально проанализировать одно из наиболее экстремальных гравитационных событий, зафиксированных на сегодняшний день.